Читать книгу Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии - Крейг Вентер - Страница 4

Людей издавна завораживала идея искусственной жизни. Начиная со средневекового гомункулуса Парацельса и голема из еврейского фольклора и до творения Франкенштейна Мэри Шелли и «репликантов» из «Бегущего по лезвию бритвы», мифология, легенды и популярная культура полны историями о синтетической и роботической жизни. Однако точное определение разницы между жизнью и не-жизнью или между жизнью биологической и машинной – большая и длительная задача равно для науки и философии. Веками принципиальной целью науки было, во-первых, понять жизнь на ее самом основном уровне и, во-вторых, научиться ею управлять. Американский биолог немецкого происхождения Жак Лёб (1859–1924) был, видимо, первым настоящим биологическим инженером. В своих лабораториях в Чикаго, Нью-Йорке и Вудс-Холе в Массачусетсе он конструировал то, что в своей книге 1906 года «Динамика живого вещества» назвал «долговечными машинами»{12}. Лёб делал двухголовых червей и, что наиболее известно, заставлял яйца морского ежа начинать эмбриональное деление без оплодотворения спермой{13}. Неудивительно, что Лёб стал прототипом Макса Готлиба – персонажа романа Синклера Льюиса «Эрроусмит», вышедшего в 1925 году и получившего Пулитцеровскую премию. Это было первое произведение серьезной литературы в жанре фантастики, идеализирующее чистую науку. Кстати, в нем фигурировало антибактериальное средство на основе вирусов, называемых бактериофагами.

В книге Филипа Дж. Паули «Управление жизнью: Жак Лёб и инженерный идеал в биологии» (1987) цитируется письмо, посланное в 1890 году Лёбом венскому физику и философу Эрнсту Маху (1838–1916), в котором Лёб утверждал: «Идеал, представляющийся мне сегодня, – это человек, способный сам действовать как создатель, даже в живой природе, формируя ее наконец-то по своей воле. Человек может наконец преуспеть в технологии живого вещества [einer Technik der lebenden Wesen]». Пятнадцатью годами позже Лёб предварил том своих научных статей объяснением, что «несмотря на разнообразие тем, все статьи в этом сборнике пронизывает одна ведущая идея, а именно, что феномен жизни возможно взять под наш контроль и что такой контроль, и ничто иное, и есть цель биологии».

Впрочем, истоки механистического взгляда Лёба можно обнаружить в истории за столетия до его переписки с Махом. Некоторые из самых ранних теорий жизни были «материалистическими» по сравнению с теми, которые полагались на нефизические процессы, которые лежат за пределами материального мира, и на сверхъестественные способы творения. Эмпедокл (490–430 гг. до н. э.) говорил, что всё, включая жизнь, сделано из сочетаний четырех неизменных «элементов» или «корней всего сущего»: земли, воды, воздуха и огня. Аристотель (384–322 гг. до н. э.), один из ранних «материалистов», делил мир на три главные группы: животные, растения и минералы. Эту классификацию до сих пор учат в школах. В 1996 году моя группа секвенировала первый геном археи. Эта последовательность многими преподносилась как доказательство того, что археи, как первым предположил американский микробиолог Карл Вёзе, представляют третью ветвь жизни – наряду с бактериями и эукариотами[2]. Когда это попало в новости, телеведущий Том Брокау риторически вопросил: «У нас есть животные, растения и минералы. Что же может быть за новая ветвь?»

Понимание углублялось, и мыслители становились амбициознее. Для греков идея изменения природы в угоду человеческим стремлениям или поиск способов управления ею выглядели бы абсурдом. Но с начала научной революции в XVI веке принципиальной целью науки стало не только исследование основ вселенной, но и овладение оной. Фрэнсис Бэкон (1561–1626), английский энциклопедист, основатель эмпиризма[3], облек это в слова, которые лучше привести в оригинале, чем пересказывать: греки, несомненно, «были похожи на мальчишек; они могут только болтать и ссориться, но не могут делать; ибо их мудрость обильна словами, но пустынна трудами… Из всех этих греческих систем и их последствий для отдельных наук едва ли можно по истечении многих лет привести хоть один эксперимент, который направлен на облегчение и улучшение состояния человека».

В романе-утопии «Новая Атлантида» (1623){14} Бэкон обрисовал свое представление о будущем, отмеченном человеческими открытиями, и даже предвидел финансируемое государством научное учреждение, Дом Соломона, где целью ставится «познание причин и скрытых сил всех вещей; и расширение власти человека над природою, покуда все не станет для него возможным». В его романе описываются эксперименты со «зверями и птицами», звучащие как генетическая модификация: «С помощью науки делаем мы некоторые виды животных крупнее, чем положено их породе, или, напротив, превращаем в карликов, задерживая их рост; делаем их плодовитее, чем свойственно им от природы, или, напротив, бесплодными; а также всячески разнообразим их природный цвет, нрав и строение тела». Бэкон даже упоминает способность проектировать жизнь: «И это получается у нас не случайно, ибо мы знаем заранее, из каких веществ и соединений какое создание зародится»{15}.

Наука не только хочет понять природу – она хочет и поставить ее на службу человеку. Рене Декарт (1596–1650), первопроходец в оптике, которого мы все ассоциируем с фразой «Я мыслю, следовательно, существую», в «Рассуждении о методе» 1637 года также заглянул вперед – в тот день, когда человечество сможет стать «хозяином и господином природы». Декарт и его последователи распространили механистические объяснения природных явлений на биологические системы, а затем исследовали их приложения. С самого рождения этого великого дела, однако, критики выражали опасения, что в погоне за эффективным господством над природой будут забыты более важные моральные и философские проблемы. Вместе с фаустовым духом современной науки пришел спор о приемлемости для человечества «игры в Бога».

Для некоторых не было вопроса, что превосходным примером принятия роли божества было бы создание чего-нибудь живого в лаборатории. В своей книге «Природа и происхождение жизни: в свете новых знаний» 1906 года французский биолог и философ Феликс ле Дантек (1869–1917) обсуждает эволюцию – или «трансформизм», как ее называли в додарвиновских дискуссиях о том, как меняются виды, – современных видов от более ранних и простых организмов, «живой протоплазмы, сведенной к минимальной сумме наследственных признаков». Он писал: «Архимед высказал символическое утверждение, которое, если принять его буквально, абсурдно: „Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю“. Примерно так же трансформист наших дней имеет право сказать: „Дайте мне живую протоплазму, и я воссоздам целиком животное и растительное царства“». Ле Дантек очень хорошо понимал, что теми примитивными методами, которые были у него в распоряжении, эту работу было бы трудно выполнить: «Наше знакомство с коллоидами [макромолекулами] еще столь недавнее и рудиментарное, что нам не стоит рассчитывать на скорый успех в попытках изготовить живую клетку». Ле Дантек был так уверен, что будущее принесет синтетические клетки, что говорил: «С новыми знаниями, полученными наукой, просвещенному разуму больше не нужно видеть изготовление протоплазмы для того, чтобы убедиться в отсутствии всякой существенной разницы и абсолютного разрыва между живой и неживой материей»{16}.

В предыдущем веке границу между одушевленным и неодушевленным провели химики, в том числе Йёнс Якоб Берцелиус (1779–1848), шведский ученый, который считается одним из пионеров современной химии. Берцелиус впервые применил атомную теорию к «живой» органической химии{17}, опираясь на работу французского отца химии Антуана Лавуазье (1743–1794) и других ученых. Он определил две крупных ветви химии как «органическую» и «неорганическую»; органические соединения – это те, которые отличаются от всех прочих тем, что включают в себя атомы углерода. В первый век применения термина «органический» он означал «происходящий от живого». Но примерно в то время, когда Берцелиус выдвинул эти определения, которые мы используем до сих пор, в своем влиятельном учебнике химии начала XIX века, виталисты и неовиталисты рассматривали органический мир еще более однозначно: «Органические вещества имеют по крайней мере три составляющие… они не могут быть приготовлены искусственно… но лишь через сродства, связанные с жизненной силой. Из этого ясно, что одни и те же правила неприменимы к органической и неорганической химии, так как здесь существенно влияние жизненной силы»{18}.

Немецкий химик Фридрих Вёлер (1800–1882), некоторое время работавший с Берцелиусом, совершил открытие, которое долго считалось «опровержением» витализма: химический синтез мочевины. В современных учебниках, в лекциях и статьях вы все еще найдете ссылки на его experimentum crucis. Это достижение стало знаковым моментом в научных анналах, отметив начало конца влиятельной идеи, восходящей к античности, – а именно, что есть некая «жизненная сила», которая отделяет одушевленное от неодушевленного, характерный «дух», который пропитывает все тела, чтобы дать им жизнь. Из заурядных химикатов Вёлер вроде бы создал кое-что от самой жизни – уникальный момент, полный возможностей. В единственном эксперименте он преобразовал химию – до тех пор разделенную на два раздельных царства молекул жизни и неживых химикатов – и увел иголку еще на один стежок прочь от предрассудков к науке. Его открытие пришло всего через десять лет после публикации готического романа Мэри Шелли «Франкенштейн», а тот появился всего через несколько лет после попытки Джованни Альдини (1762–1834) оживить казненного преступника электрическим шоком.

Вёлер объяснил свой успех в письме к Берцелиусу, датированном 12 января 1828 года{19}, описав случай, когда в Политехнической школе в Берлине он нечаянно создал мочевину, основной азотсодержащий компонент в моче млекопитающих. Вёлер пытался синтезировать щавелевую кислоту, содержащуюся в ревене, из циана и водного раствора аммиака и в итоге получил белую кристаллическую субстанцию. Аккуратно экспериментируя, он сделал точный анализ натуральной мочевины и показал, что это то же самое вещество, что и его кристаллы. До тех пор мочевину получали только из животных источников.

Тревожась, что не получает ответа от Берцелиуса, Вёлер снова написал ему в письме от 12 февраля 1828 года: «Я надеюсь, что мое письмо от 12 января дошло до вас, и хотя я жил в ежедневном и ежечасном ожидании ответа, я не стану ждать дольше, но напишу вам сейчас, потому что не могу дольше, так сказать, придерживать свою химическую мочевину, и надеюсь опубликовать то, что я могу получить мочевину без участия почки, будь то человеческой или собачьей; аммиачная соль циановой кислоты[4] и есть мочевина». Вёлер продолжал: «Предполагаемый цианат аммония был легко получен путем взаимодействия цианата свинца с раствором аммония. Цианат серебра и раствор хлорида аммония тоже годятся. Были получены четырехгранные прямоугольные призмы, красиво кристаллизующиеся; если их обработать кислотами, то не выделяется циановая кислота, а если щелочами – ни следа аммиака. Но с азотной кислотой образуются блестящие хлопья легко кристаллизующегося соединения, причем сильно кислотного; я был склонен принять это вещество за новую кислоту, так как при нагревании не образовывалась ни азотная, ни азотистая кислота, зато выделялось много аммиака. Потом я обнаружил, что если раствор насытить щелочью, то снова появляется так называемый цианат аммония, и его можно экстрагировать спиртом. И вот, совершенно внезапно, я получил ее! Все, что было нужно, – это сравнить мочевину из мочи с мочевиной из цианата»{20}.

Когда Берцелиус наконец ответил, его реакция была шутливой и полной энтузиазма: «Тот, кто положил начало своему бессмертию в моче, имеет все основания завершить свой путь вознесения на небеса при помощи того же предмета… и поистине, герр доктор на самом деле придумал трюк, который ведет по истинному пути к бессмертному имени… Это, безусловно, будет очень полезным для будущих теорий».

Тут он попал в точку. В сентябре 1837 года в научное общество в Ливерпуле, известное как Британская ассоциация по развитию науки, обратился Юстус фон Либих (1803–1873), влиятельный ученый, совершивший ключевые открытия в химии, например, он установил важность азота как питательного вещества для растений{21}. Фон Либих обсуждал продемонстрированное Вёлером «удивительное и в какой-то степени необъяснимое получение мочевины без помощи жизненных функций», добавляя, что «началась новая эра в науке»{22}.

Достижение Вёлера вскоре попало в учебники, а именно в «Историю химии» Германа Франца Морица Коппа (1843), в которой было написано, что оно «разрушило ранее принятое разделение между органическими и неорганическими телами». К 1854 году значение Вёлерова синтеза мочевины было подчеркнуто, когда другой немецкий химик, Герман Кольбе, написал{23}: всегда считалось, что соединения в животных и растительных телах «обязаны своим образованием весьма загадочной силе, присущей исключительно живой природе, так называемой жизненной силе». Но теперь, в результате Вёлерова «эпохального и важного» открытия, разделение между органическими и неорганическими соединениями рассыпалось.

Однако, как бывает при непредвзятом рассмотрении многих исторических событий, «пересмотренная история» работы Вёлера может дать новое понимание, которое удивит всякого, придерживающегося традиционной точки зрения из учебников – той, что историк науки Питер Рамберг называет «вёлеровским мифом». Этот миф достигает апофеоза в 1937 году, в книге Бернарда Яффе «Тигли: Жизни и достижения великих химиков», популярной истории химии, где Вёлер описан как молодой ученый, тяжко трудившийся в «священном храме» своей лаборатории, чтобы развенчать загадочную жизненную силу.

Рамберг указывает, что если считать достижение Вёлера знаковым экспериментом, то удивительно, как мало свидетельств современников о реакции на него. Хотя Берцелиус был явно взволнован работой Вёлера, это было связано не столько с витализмом, сколько с тем, что синтез мочевины означал трансформацию солеподобного соединения в такое, у которого совсем не было свойств соли. Показав, что цианат аммония может стать мочевиной через внутреннюю перестановку атомов, ничего не набирая и не теряя, Вёлер предоставил один из первых и лучших примеров того, что химики называют изомерией. Сделав это, он способствовал преодолению прежних взглядов, согласно которым два вещества с разными физическими и химическими свойствами не могут иметь одинаковый состав{24}.

По единодушному мнению современных историков, область органической химии не могла быть открыта единственным экспериментом. Вёлеров синтез мочевины на самом деле почти не повлиял на витализм. Сам Берцелиус думал, что мочевина, по сути, отходы организма, не столько органическое соединение, сколько «промежуточное» вещество между органикой и неорганикой{25}. Более того, исходные материалы Вёлера скорее были органическими, чем неорганическими ингредиентами. Да и достижение его не было уникальным: четырьмя годами раньше он сам искусственно получил другое органическое соединение, щавелевую кислоту, из воды и циана{26}. Историк науки Джон Брук назвал Вёлеров синтез мочевины в конечном счете «не более чем маленьким камешком, слегка мешающим убедительному потоку виталистического мышления».

Витализм, подобно религии, не исчез просто в ответ на новые научные открытия. Чтобы сдвинуть систему убеждений, нужно накопить весомые доказательства путем многих экспериментов. Непрерывный прогресс науки все сильнее душил витализм, но на это ушли века, и даже сегодня программа по искоренению этого мистического поверья еще не выполнена до конца.

Ряд ключевых открытий, которые должны были бы подорвать древнюю идею витализма, начинается с 1665 года, когда Роберт Гук (1635–1703) под созданным им новым микроскопом впервые обнаружил клетки. Со времени опытов его и других первопроходцев, таких как голландец Антони ван Левенгук (1632–1723), мы накопили доказательства, что клетки являются базовой биологической структурой для всего, что мы знаем как жизнь. По мере становления современной науки в течение XVI и XVII веков витализм сталкивался со все более серьезными вызовами. В 1839 году, через десять с небольшим лет после синтеза мочевины Вёлером, Матиас Якоб Шлейден (1804–1881) и Теодор Шванн (1810–1882) написали: «Все живые существа состоят из живых клеток». В 1855 году Рудольф Вирхов (1821–1902), основатель современной клеточной патологии, выдвинул так называемый «биогенный закон»: Omnis cellula e cellula, то есть «все живые клетки происходят от ранее существующих клеток». Это явно противоречило представлению о «самозарождении», известному еще с античности и, как подсказывает название, предполагающему, что жизнь может сама собой возникать из неживой материи – например, опарыши из гниющего мяса или плодовые мушки из бананов.

В своем знаменитом исследовании 1859 года Луи Пастер (1822–1895) опроверг теорию самозарождения посредством простого опыта. Он прокипятил бульон в двух разных колбах, одна не закрывалась, и в нее попадал внешний воздух; вторая имела S-образный изгиб горлышка и была заткнута ватой. После остывания открытой колбы в ней выросли бактерии, но во второй колбе ничего не выросло. Считается, что Пастер доказал, что микроорганизмы есть везде, включая воздух. Как и в случае с Вёлером, результаты его экспериментов, если рассмотреть их во всех деталях, не были столь убедительными, как это часто изображается, и окончательные доказательства были получены только в последующих работах немецких ученых{27}.

Эксперименты Пастера привели некоторых ученых того времени к исключению возможности того, что жизнь исходно развилась (или может быть развита) из неорганических веществ. В 1906 году французский биолог и философ Феликс ле Дантек писал: «Часто говорится, что Пастер показал бесполезность попыток… людей науки воспроизвести жизнь в своих лабораториях. Пастер показал лишь вот что: приняв определенные меры предосторожности, мы можем исключить любое попадание уже существующих живых организмов в конкретные субстанции, которые могут служить им пищей. И всё. Проблема синтеза протоплазмы осталась там же, где была{28}».

Хотя Пастер и показал, как исключить жизнь из стерильной среды, он не помог нам понять, как миллиарды лет назад на юной Земле воцарилась жизнь. В 1880 году немецкий эволюционный биолог Август Вейсман (1834–1914) сформулировал важный вывод из биогенного закона, обращенный назад, к первоисточнику: «Ныне живущие клетки могут проследить свою родословную до древнейших времен». Другими словами, должна быть общая предковая клетка. И это, конечно, приводит нас к революционной работе Чарльза Дарвина «Происхождение видов», вышедшей в 1859 году. Дарвин (1809–1882), а также британский натуралист и исследователь Альфред Рассел Уоллес (1823–1913) утверждали, что у всех созданий случаются вариации или изменения видовых признаков, которые передаются последующим поколениям. Некоторые вариации оказываются выгодными формами, которые процветают в каждом последующем поколении, и так они – и их гены – становятся более распространенными. Это естественный отбор. Со временем, когда новые версии признаков накопятся, линия может измениться настолько, что больше не сможет обмениваться генами с другими линиями, которые когда-то были ее родичами. Так рождается новый вид.

Несмотря на эти продвижения в науке, у витализма даже в ХХ веке были пламенные защитники. Среди них был Ханс Дриш (1867–1941), выдающийся немецкий эмбриолог, обратившийся к идее энтелехии (от греческого слова entelécheia), которая предполагает необходимость «души», «организующего поля» или «жизненной функции» для одушевления материальных составляющих жизни. Иного пути разрешения проблемы формирования тела из неструктурированной отдельной клетки он не видел. В 1952 году великий британский математик Алан Тьюринг показал, как у эмбриона может появиться структура de novo{29}. Подобным же образом французский философ Анри-Луи Бергсон (1859–1941) постулировал élan vital (жизненный порыв) для преодоления сопротивления инертной материи при формировании живых тел. Даже в наше время, хотя самые серьезные ученые считают витализм давно опровергнутой идеей, некоторые не отказались от представления, что жизнь основана на какой-то мистической силе. Вероятно, это не должно удивлять: слово «витализм» всегда имело столько же значений, сколько и сторонников, а общепринятое определение жизни отсутствует до сих пор.

В наше время появилась новая разновидность витализма. В этой более изощренной форме упор делается не столько на присутствие искры жизни, сколько на то, что современные редукционистские, материалистические объяснения неспособны объяснить загадку жизни. Это направление мышления отражает убеждение, что сложность живой клетки возникает в ходе множества взаимодействующих химических процессов, образующих взаимосвязанные циклы с обратной связью, и все это не может быть описано лишь в понятиях тех процессов и реакций, из которых оно состоит. В результате витализм сегодня проявляется в облике смещения акцента с ДНК на «эмерджентные» свойства клетки, которые оказываются чем-то бóльшим, чем сумма ее молекулярных частей и того, как они работают в конкретной среде.

Результатом этого нового утонченного витализма становится стремление некоторых ученых принизить или даже игнорировать центральную роль ДНК. По иронии судьбы редукционизм не помог. Сложность клеток, вместе с продолжающимся подразделением биологии на учебные дисциплины в большинстве университетов, привела многих на путь „белкоцентричности“, противостоящей ДНК-центричному взгляду на биологию. В последние годы ДНК-центричная точка зрения все сильнее склоняется к эпигенетике, системе «переключателей», которые включают и выключают гены в ответ на такие факторы окружающей среды, как стресс или питание. Многие сейчас ведут себя так, как будто область эпигенетики на самом деле отделена и независима от биологии, основанной на ДНК. Когда кто-то начинает приписывать цитоплазме неизмеримые свойства, он тем самым невольно попадает в ловушку витализма. То же самое относится к подчеркиванию загадочных эмерджентных свойств клетки помимо ДНК, что равносильно возрождению принципа Omnis cellula e cellula и идеи, что все живые клетки происходят от ранее существовавших клеток.

Это, конечно, верно, что клетки оказались первичной биологической основой для всего, что мы знаем как жизнь. Понимание их структуры и содержимого стало в результате основой для важных фундаментальных дисциплин – клеточной биологии и биохимии. Однако, как я надеюсь показать, без своей генетической информационной системы клетки проживут от нескольких минут до нескольких дней. Без генетической информации у них нет средств для создания белковых компонентов или их оболочки из липидных молекул, которые образуют мембрану, удерживающую их водянистое содержимое. Они не будут эволюционировать, они не будут воспроизводиться, и они не будут жить.

Хотя мы осознаем, что миф, сложившийся вокруг Вёлерова синтеза мочевины, неточно отражает исторические факты, связанные с этим сюжетом, фундаментальная логика его эксперимента по-прежнему оказывает мощное и обоснованное влияние на научные методы. Сегодня стандартный способ доказать, что предполагаемая химическая структура исследуемого вещества верна, состоит в том, чтобы синтезировать такую структуру и показать, что результат синтеза имеет все свойства природного продукта. Десятки тысяч научных статей начинаются с такой предпосылки или содержат фразу «доказано синтезом». Мое собственное исследование руководствовалось принципами письма Вёлера от 1828 года. Когда в мае 2010 года моя группа в Институте Крейга Вентера (JCVI) синтезировала целую бактериальную хромосому посредством компьютерной программы и четырех бутылей химикатов, а потом вставила хромосому в клетку, создав первый синтетический организм, то мы действовали по аналогии с работой Вёлера{30} и его «синтезом как доказательством».

Материалистический взгляд на жизнь как машину приводил некоторых ученых к попытке сотворения искусственной жизни вне биологии, на основе механических систем и математических моделей. К 1950-м, когда ДНК окончательно признали материальным носителем генов, механистический подход уже маячил в научной литературе. В этой версии жизнь должна появляться из сложных механизмов, а не из сложной химии. В 1929 году молодой ирландский кристаллограф Джон Десмонд Бернал (1901–1971) представил возможность существования машин с жизнеподобной способностью к воспроизведению себя в «постбиологическом будущем», которое он описал в книге «Мир, плоть и дьявол»: «Создать саму жизнь будет лишь предварительным этапом. Изготовление жизни как таковой будет важно лишь тогда, если мы собираемся позволить ей заново развиваться самой».

Логичный рецепт по сотворению этих сложных механизмов был разработан в следующем десятилетии. В 1936 году Алан Тьюринг, криптограф и пионер искусственного интеллекта, описал то, что обрело известность как машина Тьюринга, а именно набор инструкций, написанных на ленте. Тьюринг также определил универсальную машину Тьюринга, которая может выполнять любые вычисления, для которых можно написать инструкции. Это стало теоретической основой цифрового компьютера.

Идеи Тьюринга были развиты далее в 1940-х знаменитым американским математиком и энциклопедистом Джоном фон Нейманом, который задумал самовоспроизводящуюся машину. Подобно тому, как Тьюринг предвидел универсальную машину, фон Нейман предвидел универсальный конструктор. Родившийся в Венгрии гений очертил свои идеи в лекции «Общая и логическая теория автоматов» на симпозиуме Хиксона 1948 года в Пасадене, Калифорния. Он указал, что «живые организмы гораздо более сложны и тоньше устроены и, следовательно, значительно менее понятны в деталях, чем искусственные автоматы». Тем не менее он утверждал, что некоторые из закономерностей, которые мы наблюдаем у первых, могут быть поучительными для размышлений о последних и их проектирования.

Машина фон Неймана включает в себя «ленту» из ячеек, которая кодирует последовательность выполняемых машиной действий. Используя записывающую головку (обозначенную как «сборочный манипулятор»), машина может построить новую систему ячеек – в частности, может сделать полную копию и себя, и ленты. Репликатор фон Неймана был неуклюжей на вид структурой, состоящей из основной области в восемьдесят на четыреста квадратов, сборочного манипулятора и «хвоста Тьюринга» – полосы закодированных инструкций, состоящей из еще 150 000 квадратов. («Автоматы [Тьюринга] – это чисто вычислительные машины, – пояснял фон Нейман. – Что на самом деле нужно – так это автомат, производящий другие автоматы»{31}.) Все это творение состояло примерно из двухсот тысяч таких «клеток». Чтобы воспроизводиться, машина использовала «нейроны», обеспечивающие логическое управление, передающие клетки для передачи сообщений от центров управления, и «мышцы», чтобы изменять окружающие клетки. По инструкциям хвоста Тьюринга машина выдвигала манипулятор, а затем водила им вперед-назад, создавая копию себя при помощи ряда логических манипуляций. Копия затем могла сделать новую копию и так далее.

Природа этих инструкций стала с тех пор яснее по мере параллельного развития цифрового мира и биологических миров науки. Эрвин Шрёдингер писал тогда то, что вроде бы стало первым упоминанием его «кодированной записи»: «Именно эти хромосомы или, возможно, только осевая или скелетная нить того, что мы видим под микроскопом как хромосому, содержат в виде своего рода [кодированной записи[5] ] весь “план” будущего развития индивидуума и его функционирования в зрелом состоянии».

Шрёдингер продолжал утверждать, что «кодированная запись» может быть простой, как бинарный код: «Действительно, число атомов в такой структуре не обязано быть очень велико, чтобы получить практически неограниченное число возможных сочетаний. Для примера вспомним азбуку Морзе. Два разных знака – точка и тире – в хорошо упорядоченных группах не более чем по четыре символа дают тридцать разных спецификаций{32}».

Хотя фон Нейман придумал свой самовоспроизводящийся автомат за несколько лет до того, как в двойной спирали ДНК был открыт реальный наследственный код, он отметил, что у автомата должна быть способность эволюционировать. В своей Хиксоновской лекции он поведал аудитории, что каждая инструкция в такой машине «грубо говоря, выполняет функции гена», и продолжил описанием того, как ошибки автомата «могут проявлять некоторые характерные черты мутации – как правило, летальной, но иногда способной продолжать воспроизводиться вместе с соответствующим изменением признака». Как заметил генетик Сидней Бреннер, можно сказать, что биология дает наилучшие реальные образцы машин Тьюринга и фон Неймана: «Понятие гена как символического – в виде кодированной записи – представления организма – это фундаментальная черта живого мира»{33}.

Фон Нейман, упорно следуя своему исходному понятию репликатора, придумал чисто логический автомат, не требующий физического носителя и целого моря деталей, а основанный на изменяющемся состоянии ячеек в решетке. Его коллега по Лос-Аламосу (где они работали в проекте «Манхэттен») Станислав Улам предложил фон Нейману использовать для разработки его устройства математическую абстракцию вроде той, которую сам Улам применял для изучения роста кристаллов. Фон Нейман представил получившийся «самовоспроизводящийся автомат» – первый клеточный автомат – на Ванаксемских лекциях о «Машинах и организмах» в Принстонском университете между 2 и 5 марта 1953 года.

Попытки моделирования жизни продолжались, но тут изменилось наше понимание биологии, лежащее в их основе: 25 апреля 1953 года Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали в журнале Nature{34} ключевую статью «Молекулярное строение нуклеиновых кислот: структура дезоксирибонуклеиновой кислоты». Их работа, выполненная в Кембридже (Англия) и опиравшаяся на рентгенокристаллографические данные Розалинд Франклин и Рэймонда Гослинга из Королевского колледжа в Лондоне, предлагала двойную спиральную структуру ДНК. Уотсон и Крик описали элегантную функциональную молекулярную структуру двойной спирали и то, как ДНК воспроизводится, чтобы ее инструкции передавались из поколения в поколение. Это был природный самовоспроизводящийся автомат.

Начало попыток создания другого рода самовоспроизводящихся автоматов, как и начало исследований искусственной жизни, датируются примерно этим же периодом, когда стали использоваться первые современные компьютеры. Открытие кодированной природы генетической информационной системы жизни естественным образом привело к параллели с машинами Тьюринга. Сам Тьюринг в своей важнейшей статье 1950 года об искусственном интеллекте обсуждал, что выживание наиболее приспособленных – это «медленный метод», который можно было бы подтолкнуть, и не в последнюю очередь потому, что экспериментатор не ограничен случайными мутациями{35}. Многие поверили, что искусственная жизнь появится из сложных логических взаимодействий в компьютере.

В этой точке сошлись разные течения мысли: теории фон Неймана с его работами по ранним компьютерам и самовоспроизводящимся автоматам; Тьюринга, поставившего основные вопросы о машинном разуме{36}; и американского математика Норберта Винера, который применил идеи из теории информации и саморегулирующихся процессов к живым существам в области кибернетики{37}, описав это в своей книге «Кибернетика», выпущенной в 1948 году. Было много последовательных попыток возжечь в компьютере жизнь. Одна из самых ранних случилась в Институте перспективных исследований в Принстоне в 1953 году, когда норвежско-итальянский генетик-вирусолог Нильс Аол Барричелли провел эксперименты «с целью проверить возможность эволюции, сходной с таковой у живых организмов, в искусственной вселенной»{38}. Он сообщил о различных «биофеноменах», например об успешном скрещивании родительских «организмов», роли пола в эволюционных изменениях и роли сотрудничества в эволюции{39}.

Возможно, наиболее убедительный эксперимент по созданию искусственной жизни был проведен несколько десятилетий спустя, в 1990 году, когда Томас Рэй из Делавэрского университета создал первое впечатляющее приближение к дарвиновской эволюции в компьютере. В его модели организмы – компьютерные подпрограммы – боролись за память (пространство) и вычислительные мощности (энергию) в специально выделенном «заповеднике» внутри машины. Для этого ему пришлось преодолеть ключевое препятствие: языки программирования «хрупкие», в них единичная мутация – строчка, буква или точка не в том месте – останавливает программу. Рэй предложил некоторые изменения, после которых мутации с меньшей вероятностью выключали его программу. Потом последовали другие варианты компьютерной эволюции, например Avida{40}, программа, созданная группой из Калифорнийского технологического института (Калтеха) в начале 1990-х для изучения эволюционной биологии самовоспроизводящихся компьютерных программ. Исследователи считали, что с ростом мощности компьютера они смогут создать более сложные существа – чем богаче компьютерная среда, тем богаче искусственная жизнь, которая может развиваться и множиться.

Даже сегодня есть такие, как Джордж Дайсон, который в своей книге «Собор Тьюринга» (2012) утверждает, что примитивные осколки реплицирующихся программ из вселенной Барричелли – это предки линий мультимегабайтных программ, плодящихся в современной цифровой вселенной, во Всемирной сети и за ее пределами{41}. Он утверждает, что теперь есть вселенная самовоспроизводящихся цифровых записей, которая прирастает на триллионы бит в секунду, «вселенная чисел с собственной жизнью»{42}. Эти виртуальные ландшафты расширяются экспоненциально и, как наблюдал сам Дайсон, начинают становиться цифровым аналогом вселенной ДНК.

Но эти виртуальные пастбища на самом деле относительно скудны. В 1953 году, всего через полгода после попытки создать эволюцию в искусственной вселенной, Барричелли обнаружил серьезные барьеры, в которые упирается любая попытка породить искусственную жизнь в компьютере. Он сообщал, что «для того чтобы объяснить формирование таких сложных органов и способностей, как у живых организмов, чего-то не хватает… Сколько бы мы ни делали мутаций, цифры всегда останутся цифрами. Цифры сами по себе никогда не станут живыми организмами!{43}»

Искусственная жизнь в своем исходно задуманном виде обрела новое виртуальное существование в форме игр и кинофильмов: смертоносный Hal 9000 из «Одиссеи 2001 года», кровожадный Скайнет из фильмов о Терминаторе, злонамеренные машины в «Матрице». Однако реальность пока сильно отстает. В компьютерной искусственной жизни нет разницы между генетической последовательностью (генотипом) произведенного организма и ее физическим выражением – фенотипом. В случае с живой клеткой текст ДНК выражается в форме РНК, белков и клеток, образующих все физические субстанции жизни. Искусственные системы жизни быстро выдыхаются, потому что генетические возможности в компьютерной модели не имеют открытого финала, но предопределены. В отличие от биологического мира, исход компьютерной эволюции заложен еще при ее программировании.

В науке предметы химии, биологии и информатики счастливо сошлись в моей дисциплине – геномике. Цифровые компьютеры, созданные ДНК-машинами (людьми), теперь научились читать зашифрованные в ДНК инструкции, анализировать их и писать, чтобы создавать новые разновидности ДНК-машин (синтетическую жизнь). Когда мы объявили о создании первой синтетической клетки, некоторые спрашивали нас, не «играем ли мы в Бога». В ограниченном смысле я полагаю, что играем – поскольку мы показали этим экспериментом, что для создания новой жизни Бог необязателен. Я считал, что созданием синтетической жизни из химикатов мы наконец-то раз и навсегда отправили на покой последние остатки виталистических представлений. Но, кажется, я недооценил, до какой степени современное научное мышление все еще пронизано виталистическими установками. Установка – это враг научного прогресса. Установка, что генетический материал – это белки, задержала открытие ДНК как носителя информации примерно на полвека.

В течение второй половины ХХ века мы пришли к пониманию, что ДНК и есть шрёдингеровская «кодированная запись», расшифровали ее сложный смысл и начали представлять, как именно она направляет жизненные процессы. Это эпическое приключение в понимании отметило рождение новой эры в науке – той науке, что лежит на стыке биологии и технологии.